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中国首个太空科普教育品牌“天宫课堂”第一课，昨天下午15:40开始，神舟13号乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富在中国空间站核心舱内进行太空授课，吸引了亿万目光和期待。 众所周知，在太空飞行的载人航天器内与地面有天壤之别，最显著的特点是存在地面难以模拟的长期失重环境。在那里人人好像都会轻功，可以像游泳一样随意飘来飘去；航天员各个均能成为大力士，可毫不费力的举起任何东西，甚至能轻松表演“一指禅”；他们的睡觉也不分上下，可以站着睡，也能倒立睡，高兴时还可不固定睡袋，当一回“夜游神”；吃东西时也能像小鸟一样，把食物放在空中后用嘴去接着吃……  随着人类走向太空，未来，哺乳动物能在太空正常繁衍吗？ 为了回答这个疑惑，科学家们把小鼠早期胚胎带上了太空。它能否在空间环境下正常分裂、发育？其发育过程与地面有哪些不同？ “我们以小鼠细胞胚胎为研究对象，对其进行培养并显微实时跟踪观察，看它在微重力环境中能否继续分裂到8个细胞、16个细胞……观察在微重力情况下，哺乳动物胚胎能否和在地球上一样正常发育。”中科院动物所研究员段恩奎说。 ↑地面条件下胚胎发育图像 未来人类能在太空繁衍？
 微生物学家、宇航员Kate Rubins在国际空间站测试干细胞。图片来源：NASA 地球生命的整个演化历史中，重力基本上是一个常量. 因此，生命体的所有结构、功能均已适应了这一物理条件. 空间探索活动把人类以及其他地球生物带到了微重力环境下，重力成为变量. 一方面，失重本身可能引起细胞- 组织结构的应力状态变化，可称之为重力变化的直接作用；另一方面，失重后对流、沉降等行为的显著改变可能造成物质交换的变化进而影响生命体的新陈代谢，可称之为重力变化的间接作用. 尽管空间细胞生物学实验已有一些先例，但在科学问题上，亟需探索上述两种作用的区别与联系，阐明微重力影响细胞生命活动的规律. 一、微重力下内皮细胞培养的物质输运条件依赖研究. 在微重力环境下，利用输送培养液的泵阀系统和培养器腔室结构设定和调控流动条件与物质交换条件，记录细胞显微观察图像，并通过收集细胞培养液上清，细胞在线分步化学固定以进行回地分析等手段，获得不同物质输运条件下的内皮细胞形态图像数据、细胞葡萄糖及氧代谢数据、细胞骨架荧光染色数据、基质分泌数据以及增殖动力学数据. 拟解决的关键科学问题为：空间微重力环境下内皮细胞生长、代谢、结构重组及功能分泌等生物学过程对物质输运条件依赖规律的认识. 二、 微重力下骨髓间充质干细胞分化的物质输运条件依赖研究. 在微重力环境下，利用输送培养液的泵阀系统和培养器腔室结构设定和调控流动条件与物质交换条件，记录细胞显微观察图像，并通过收集细胞培养液上清，细胞在线分步化学固定以进行回地分析等手段，获得不同物质输运条件下的骨髓间充质干细胞形态图像数据、细胞葡萄糖及氧代谢数据、细胞骨架荧光染色数据、肝向分化数据. 拟解决的关键科学问题为：空间微重力环境下骨髓间充质干细胞代谢、结构重组、定向分化等生物学过程对物质输运条件依赖规律的认识. 已进行的地面对比试验结果包括：目前利用空间实验装置已进行了若干次地面对比试验，分别检测了细胞骨架结构、细胞代谢与分化等生物学指标，并测试了实验装置的工程控制参数. 细胞本身作为生命系统的基本层次，其结构和功能也是十分复杂的，在同样控制条件下空间实验可能会与地面实验产生差别，如细胞的形态结构、代谢程度、增殖速率、分化功能等变化，需要经过多重对照实验综合分析来判断其意义. 1. 高中毕业的我们知道，干细胞生物学是21世纪瞩目的研究领域之一，是组织工程和再生医学研究的上游学科。干细胞的重要功能是维持和控制细胞的再生能力,它具有自我更新复制能力和多分化潜能，它可分化为多种组织细胞类型。在空间生命科学领域，空间微重力效应是否影响干细胞增殖和分化？能否利用空间微重力独特的条件开展干细胞大规模扩增和组织工程构建呢？这些问题是当下前沿和热点的问题。 2. 实验前期，中科院动物所段恩奎老师的团队在1G和模拟微重力效应下，分别进行了小鼠胚胎干细胞增殖、分化特性研究。他们发现，在模拟微重力效应条件（RCCS）下，小鼠胚胎干细胞分化能力增强，并且更容易向内胚层和中胚层分化，并且已发现引起这种变化的关键基因和分子信号通路。但模拟微重力效应并不是真实的微重力条件，只有太空才能提供真实的微重力环境。所以利用外太空的实验机会，去太空真实的微重力环境下研究下。 我们还可以借机看一下空间干细胞实验在国际上的状况： 案例1： 2015年NASA研究人员就首次报道了在STS-131飞行任务中进行的空间干细胞生长和组织再生方面的成果。NASA的研究结果表明，太空微重力环境影响了小鼠拟胚体（EB）在太空的分化能力，抑制了谱系分化基因的表达，但有意思的是，这些未分化的EB在地面条件下培养能够进一步分化。 案例2： 最近，美国斯坦福大学细胞生物学家Arum Sharma在世界干细胞峰会上汇报了一项在国际空间站（ISS）上开展的干细胞向心肌分化的实验。研究人员将干细胞送上ISS停留了1个月，平行的对照实验则留在地球上培养。初步的结果显示，分化的心肌细胞在太空飞行时呈现出略微不规律的节律，但返回地面后恢复了正常的跳动节律。 案例3： 加州大学洛马林达大学移植免疫学家Mary Kearns Jonker利用一个定位器装置进行微重力模拟实验，通过将心脏祖细胞加载到该装置通过不断旋转来使细胞减少重力。该研究小组已经发现，新生儿的心脏祖细胞似乎在这些微重力条件下能更好增殖且表现出分化迹象——回到更原始的非专门化状态，而成年人的心脏祖细胞并没有出现这些现象。在这些现象事实上，研究小组发现，微重力可以激活某些遗传途径，从而在受损组织再生时开始运作。 案例4： 中科院段恩奎教授的团队此前在实践十号（中国首个微重力实验卫星，返回式的）上开展了太空环境下哺乳动物早期胚胎发育研究。研究不仅获得了太空中小鼠早期胚胎发育的实时显微摄影图片，还首次观察到哺乳动物2-细胞胚胎在太空微重力条件下能够分裂并且发育到囊胚阶段。研究已经取得了阶段性的成果，在世界范围内，首次完成太空环境下哺乳动物植入前胚胎发育的研究。 |
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